Come determinare la distribuzione della pressione in un condotto con una cappa: analisi numerica e visualizzazione

Nel contesto della ventilazione vorticosa, la distribuzione della pressione in un condotto con una cappa è un tema centrale per la progettazione e l'analisi del flusso. Nella tabella 2.1, presentata nel caso mostrato in figura 2.3, vengono riportati i valori di pressione specifica e la variazione relativa della pressione lungo un condotto con una cappa. Le prime due colonne derivano dalla soluzione numerica e sono utilizzate come base per calcolare i valori della distribuzione della pressione.

Nel caso del condotto, le variazioni di pressione, misurate come caduta di pressione specifica, sono notevoli in alcune zone. I valori di R (Pa/m) rappresentano il tasso di cambiamento della pressione rispetto alla distanza nel condotto, mentre la variazione percentuale ΔR mostra come tale tasso varia lungo il condotto. La tabella evidenzia le zone in cui la variazione relativa di R è quasi nulla o comunque molto contenuta, con un'ampiezza che non supera il 2-3%. In queste aree, la caduta di pressione specifica può essere considerata quasi lineare, e il valore medio di R è 5.85 Pa/m, con una deviazione massima del 2.25%.

Nel contesto di calcoli più complessi, la formula di calcolo del LDC (Loss of Dynamic Coefficient) per determinare la perdita di pressione nelle varie sezioni del condotto è stata derivata attraverso l'analisi delle perdite di carico. Per esempio, nella formula (2.3) utilizzata per calcolare LDC, vengono presi in considerazione il sovrappressione totale al ingresso della cappa Pb, la sovrappressione totale in una sezione finale del condotto Pe, e la perdita di pressione ΔP dovuta agli attriti nel condotto. Il termine P rappresenta la pressione dinamica calcolata sulla base della velocità media all'uscita del condotto, ed è fondamentale per determinare correttamente le perdite.

Nel calcolo del LDC, si assume che la perdita di pressione dovuta agli attriti ΔP nel condotto si verifichi in modo simile a quanto accade nel condotto principale senza perturbazioni, e la differenza tra le perdite di pressione nelle diverse aree viene corretta nel modello di LDC.

Un altro aspetto fondamentale è la determinazione delle linee di flusso (VZ) durante la risoluzione di problemi bidimensionali. Le linee di flusso possono essere visualizzate utilizzando il metodo delle linee di corrente, che permette di determinare il comportamento del flusso all'interno del condotto. Le linee di flusso vengono tracciate lungo la cosiddetta "linea di separazione", la quale isola la zona di separazione dal flusso principale. Questa linea può essere determinata calcolando il valore della funzione di flusso nel punto estremo del condotto, sulla parete inferiore al punto di uscita del raccordo o della cappa.

Una volta calcolato il valore della funzione di flusso nel punto critico, è possibile visualizzare la linea di flusso utilizzando strumenti di software come "Iso-Surface", dove il valore della funzione di flusso viene utilizzato per generare una superficie di isoline che rappresenta il contorno del flusso. Queste linee sono essenziali per la comprensione della distribuzione del flusso e delle sue dinamiche, oltre a servire come strumenti ausiliari per la creazione di modelli numerici per la progettazione del condotto.

Infine, l'analisi numerica della distribuzione della pressione e del flusso attraverso il condotto consente di migliorare la progettazione di sistemi di ventilazione e di ottimizzare il comportamento del flusso nei raccordi e nelle tubazioni. Quando si affrontano problemi complessi, come il calcolo dei coefficienti di perdita e delle linee di flusso, è essenziale disporre di modelli numerici accurati che riflettano fedelmente la realtà fisica.

Per rendere l'analisi ancora più dettagliata e accurata, è importante considerare anche le variabili dinamiche che influenzano la distribuzione della pressione, come le fluttuazioni del flusso e l'interazione tra le varie zone del condotto. Anche le caratteristiche del materiale del condotto e la geometria delle sue parti possono influenzare in modo significativo le perdite di carico e la qualità del flusso.

Qual è l'influenza delle configurazioni degli impianti di ventilazione sulle perdite di pressione e sulle velocità di flusso?

Nel contesto degli impianti di ventilazione, il comportamento dei flussi d’aria all'interno dei condotti e la gestione delle perdite di pressione sono fondamentali per ottimizzare l’efficienza energetica e la funzionalità complessiva del sistema. La configurazione e le caratteristiche fisiche degli impianti influenzano direttamente la distribuzione delle velocità e la perdita di pressione lungo il percorso del flusso. Questi aspetti sono studiati in modo approfondito in esperimenti che combinano simulazioni numeriche e prove pratiche, con l’obiettivo di ottenere risultati accurati e applicabili in contesti reali.

L’analisi di un sistema di ventilazione complesso, come quello descritto, prevede un’accurata misurazione delle velocità in vari punti strategici dei condotti. Ad esempio, la configurazione sperimentale per la visualizzazione delle zone di vortice (VZ) e la misurazione delle velocità davanti agli estrattori include una serie di componenti: dai ventilatori che generano la pressione necessaria, agli strati di condotto che collegano il sistema alla camera di pressione statica. Il flusso d’aria è spesso visualizzato mediante l’utilizzo di vapore freddo, che consente di tracciare la direzione e l'intensità del flusso d’aria.

Un altro aspetto importante riguarda la misurazione delle perdite di pressione, che sono influenzate dalla geometria dei condotti e delle aperture. Gli esperimenti, condotti con una serie di strumenti sofisticati, come il termoanemometro a filo caldo (Testo-435), permettono di registrare la velocità dell’aria in diversi punti della sezione trasversale del condotto e confrontare i risultati ottenuti con le simulazioni numeriche basate su modelli DVM (Discreto Volume Metodologia) e CFD (Computational Fluid Dynamics). Tali comparazioni sono essenziali per validare la bontà dei modelli e per prevedere comportamenti in scenari non completamente esplorati.

Per una corretta interpretazione dei risultati, è fondamentale comprendere come le diverse configurazioni influenzano le velocità all’interno del sistema. Ad esempio, il comportamento del flusso in un condotto tondo e in un condotto piatto può essere sensibilmente diverso, specialmente quando il flusso attraversa aree di confluenza come quelle create da un raccordo a T. In questi casi, la velocità del flusso cambia drasticamente, influenzando la distribuzione della pressione lungo il condotto. È qui che entra in gioco l'importanza di un'accurata calibrazione dei sensori e la raccolta di dati in modo metodico per ottenere misurazioni affidabili.

L’esperimento condotto con raccordi a T, in particolare, dimostra come la geometria del condotto influisca direttamente sulle perdite di pressione. Misurazioni lungo i rami principali e laterali di un raccordo a T permettono di rilevare differenze significative nelle perdite di carico a seconda della posizione del flusso. Queste differenze sono legate alla velocità dell'aria e alla geometria stessa del raccordo, che modifica il comportamento del flusso.

Il valore delle misurazioni si concretizza nella capacità di ottimizzare il progetto dei sistemi di ventilazione. La combinazione di misurazioni pratiche e simulazioni numeriche consente di ottenere un’analisi accurata che porta alla realizzazione di impianti di ventilazione più efficienti e meno soggetti a perdite di energia. La verifica dei risultati sperimentali tramite simulazioni numeriche aiuta anche a prevedere i comportamenti in scenari complessi, dove è difficile applicare metodi puramente teorici o pratici.

Infine, un aspetto cruciale da considerare è la calibrazione dei sensori e l'affidabilità dei dati raccolti. La precisione delle misurazioni in un sistema di ventilazione è essenziale per ottenere risultati validi e applicabili. L’uso di strumenti avanzati, come anemometri a filo caldo e manometri elettronici, permette di ottenere dati con una buona precisione, ma è fondamentale che le misurazioni vengano eseguite in modo sistematico e ripetuto per ridurre al minimo gli errori e garantire la qualità dei risultati.

La progettazione e l’ottimizzazione dei sistemi di ventilazione, seppur basate su principi fisici ben noti, richiedono una continua evoluzione delle metodologie di misura e simulazione per rispondere alle nuove sfide tecnologiche e alle esigenze di efficienza energetica. Attraverso l’adozione di tecniche avanzate di simulazione numerica e prove pratiche, è possibile migliorare notevolmente le prestazioni e la sostenibilità dei sistemi di ventilazione industriali e residenziali.

Applicazione dei Metodi Sviluppati per i Sistemi Complessi di Cappe di Scarico

L'analisi dei flussi di aria all'interno delle cappe di scarico, in particolare quelle rettangolari e ad alte prestazioni, riveste una notevole importanza per ottimizzare la ventilazione in ambienti industriali. L'accuratezza nella determinazione dei parametri di flusso, come la velocità assiale dimensionless del flusso e la linea di separazione del flusso all'ingresso della cappa di scarico, è cruciale per migliorare l'efficienza energetica e la sicurezza dell'ambiente di lavoro. In questo contesto, l'adozione di metodi computazionali e simulazioni numeriche avanzate rappresenta un passo fondamentale per una progettazione più precisa e un controllo migliore delle dinamiche del flusso.

L'esperimento di riferimento, strutturato come un setup di test, ha incluso diversi strumenti e dispositivi per monitorare le condizioni di flusso. Tra questi, un generatore di vapore ad ultrasuoni, un termoanemometro Testo-435, e un controller di velocità del ventilatore, tutti utilizzati per raccogliere dati riguardanti la velocità e la distribuzione del flusso d'aria all'interno del condotto di scarico. Il flusso dell'aria è stato modellato utilizzando un programma di simulazione computazionale, che ha permesso di determinare la velocità assiale dimensionless del flusso d'aria (v/v₀) in un condotto rettangolare e la separazione del flusso all'ingresso.

In particolare, il metodo di Discrete Vortex Method (DVM) è stato applicato per studiare il comportamento del flusso nell'ambito di un condotto di scarico rettangolare con un rapporto di dimensioni variabile. Le simulazioni hanno mostrato una buona corrispondenza tra i risultati ottenuti attraverso il DVM e quelli precedentemente riportati in letteratura, con una leggera sovrastima della velocità del flusso rispetto ad altri metodi tradizionali. Questi esperimenti numerici hanno confermato che la velocità massima, determinata utilizzando il metodo di N.E. Zhukovsky, è ottenuta in un condotto di scarico a fessura.

Una delle osservazioni più significative riguarda la relazione tra la velocità facciale all'ingresso del condotto e la velocità assiale all'interno del condotto stesso. Sebbene il valore della velocità facciale venga tradizionalmente assunto come unitario, i risultati sperimentali e numerici suggeriscono che tale valore dovrebbe essere maggiore di uno a causa della formazione di zone di vortice (VZ) e della compressione del getto all'ingresso. L'analisi ha inoltre rivelato che, variando le dimensioni del condotto di scarico, la velocità assiale in prossimità del condotto rettangolare cambia in modo significativo con l'aumento del rapporto di larghezza (B) rispetto all'altezza (A) del condotto. Per esempio, per i rapporti di 2:1, 4:1 e 6:1, la velocità assiale tende a stabilizzarsi oltre un certo punto, e non ci sono cambiamenti significativi con l'ulteriore aumento della larghezza.

Ulteriori validazioni sperimentali sono state effettuate confrontando i risultati ottenuti con quelli di studi precedenti, come quello di Kulmala e Saarenrinne (1996), con un alto grado di correlazione. Le linee di isotache, che rappresentano le linee di uguale velocità, sono state confrontate tra esperimenti e simulazioni numeriche, mostrando una notevole corrispondenza. Questo è stato possibile grazie all'uso del modello di turbolenza k–ε che ha dimostrato la sua efficacia nel predire il comportamento del flusso in condizioni non stazionarie.

Un altro aspetto cruciale emerso dallo studio riguarda il comportamento delle linee di separazione del flusso (o streamlines), che sono state analizzate in relazione al numero di Reynolds (Re). I risultati hanno mostrato che, per valori di Re superiori a 4.2 · 10⁴, le linee di separazione coincidono abbastanza bene con quelle ottenute sperimentalmente. Tuttavia, per valori di Re inferiori, la dimensione della zona di separazione risulta più contenuta, con un progressivo aumento delle dimensioni di tale zona con l'aumento della velocità del flusso, fino a stabilizzarsi oltre un certo valore di Re.

Il confronto tra i vari modelli di condotto (rettangolare, a fessura e rotondo) ha rivelato differenze significative nel comportamento del flusso, specialmente nelle zone di vortice, che si manifestano in modo più evidente nei condotti a fessura e rotondi. I risultati numerici, ottenuti tramite il software STAR-CCM+, sono stati confrontati con quelli sperimentali e con i risultati del DVM, mostrando una buona coerenza.

Infine, l'esperimento ha permesso di esaminare i flussi all'interno di condotti di scarico rettangolari di dimensioni variabili, confermando che i risultati ottenuti tramite il DVM sono fisicamente adeguati e coerenti con il comportamento osservato nei condotti reali.

Concludendo, l'applicazione dei metodi computazionali avanzati, come il DVM, ha fornito risultati estremamente utili nella comprensione e ottimizzazione dei flussi nei sistemi complessi di ventilazione. L'approccio numerico, integrato con esperimenti e simulazioni, offre una panoramica dettagliata del comportamento del flusso, fondamentale per la progettazione di sistemi di scarico più efficienti.

Come l'ottimizzazione dei sistemi di ventilazione può ridurre i costi energetici e migliorare l'efficienza operativa

Il tasso di elettricità per le installazioni di piccole e medie dimensioni (fino a 670 kW) nella Repubblica del Tatarstan è pari a R = 0,07413 €/kW·h. Di conseguenza, la riduzione delle spese operative (OPEX) per un sistema risulta essere: OPEX = ΔN · 8 · 244 · R = 1,074 · 8 · 244 · 0,07413 = 148 €/anno per sistema. Un aspetto fondamentale nell'analisi dell'efficienza energetica è la potenza specifica del ventilatore (SFP), che indica la potenza consumata dal ventilatore per mantenere un flusso d'aria di 1 m³/h in un determinato sistema.

Nel confronto tra ventilatori "non sagomati" e "sagomati", sono stati rilevati vantaggi significativi in termini di efficienza energetica. Ad esempio, per un ventilatore "non sagomato" modello DVG-H 630EC/F400, la potenza assorbita è di 3102,6 W, mentre per il ventilatore "sagomato" DVC 710-POC (3Ph/400V) è di 2028,6 W, con un risparmio di 1074 W, pari a una riduzione del 34,6%. L'analisi delle specifiche ha evidenziato che il risparmio relativo per ogni kW di potenza originaria consumata risulta essere OPEX = OPEX/N = 148 / 3,1 = 47,8 €/kW/anno.

Quando si considera l'implementazione di nuovi ventilatori con design più efficienti, le spese in conto capitale (CAPEX) sono significativamente ridotte. Ad esempio, l'acquisto di un ventilatore più efficiente ha comportato una riduzione del CAPEX pari a 1245 €. L'analisi ha anche mostrato che l'adozione di condotti sagomati riduce le perdite di pressione, con una diminuzione del valore da 375 Pa a 234 Pa, migliorando ulteriormente l'efficienza energetica e riducendo i costi operativi annuali. In un sistema che funziona con un solo turno di lavoro per 5 giorni a settimana, il risparmio annuale di elettricità ammonta a 795,8 kW·h/anno, mentre per un funzionamento a due turni, questo valore raddoppia.

Nel caso di un sistema con una maggiore complessità, come quello di un edificio industriale, è stato stimato un risparmio di OPEX pari a 59 €/anno per sistema, per una potenza complessiva di 1,9 kW, con una riduzione delle spese operative di 31 €/kW/anno. Questi risultati dimostrano come l'adozione di elementi sagomati per i condotti, come tee asimmetriche e aperture laterali, possa portare a significativi risparmi sui costi operativi. Inoltre, i sistemi di ventilazione progettati con elementi sagomati riducono le perdite di pressione locali, che contribuiscono in modo significativo alle perdite di carico totali in una rete di condotti.

L'analisi aerodinamica di sistemi di ventilazione complessi, come quelli di edifici di grandi dimensioni, può rivelare risparmi notevoli in termini di potenza e ridurre il consumo energetico di ventilatori e unità di raffreddamento. In un esempio di progettazione aerodinamica per un centro uffici di cinque piani con un'area totale di 20.000 m², è stato stimato un risparmio di potenza di 18,2 kW, pari a 1,2 W/m² della superficie servita. Questo ha portato a una riduzione complessiva della potenza richiesta a 67,8 kW, con una diminuzione dei costi operativi annuali di 2640 €/anno o 0,176 €/m². Tali risparmi possono comportare la possibilità di ridurre le dimensioni delle unità di ventilazione, con un abbattimento anche delle spese in conto capitale (CAPEX).

L'importanza di un design aerodinamico accurato nei sistemi di ventilazione non può essere sottovalutata. L'uso di elementi sagomati per i condotti riduce le perdite di pressione e ottimizza i flussi d'aria, portando a un risparmio energetico significativo. È fondamentale che i progettisti di sistemi di ventilazione considerino attentamente questi aspetti, adottando soluzioni innovative che possano ridurre i costi operativi e aumentare l'efficienza complessiva del sistema.

Inoltre, l'applicazione di nuovi design e tecnologie nella progettazione dei condotti può aprire la strada a soluzioni più sostenibili, con impatti positivi non solo sui costi, ma anche sull'ambiente.